基于管網模擬技術的絕熱工程評估方法

摘要：通過對石油化工企業的蒸汽管網系統進行分析，以蒸汽管網系統模擬優化軟件（Smartsteam）為平臺完成蒸汽管網系統的整體建模，真實地模擬出蒸汽管網系統運行過程和各部分之間相互影響關系，預測絕熱工程實施后的蒸汽管網系統運行情況，并在絕熱工程完成后回溯工程實施前的蒸汽管網系統運行情況。通過將管線的起點溫度、末端溫度、表面溫度與模擬結果對比，得到實際熱流、設計熱流和合格熱流等參數，從而對管線的表面熱損失做全面評估。

關鍵詞：蒸汽管網系統；絕熱工程；熱損失

引言

石油化工企業的蒸汽管網系統在傳輸蒸汽過程中的熱量散失，不僅會造成能源流失，還會影響蒸汽用戶端的蒸汽品質，故而亟需對蒸汽管網的絕熱工程進行合理規劃，以在確保熱損滿足要求的同時，保證絕熱工程的投資回報率。因此，精確評估當前管網絕熱工程的保溫效能及預測絕熱工程實施后可能實現的保溫效果，尤為重要。

選擇絕熱材料是絕熱工程規劃中至關重要的環節，在其物理性能和化學性能符合國家現行有關產品標準規定的同時，還要在絕熱性能與經濟性之間尋求平衡。截至目前，發展成熟的SiO2氣凝膠是已知的導熱系數最低、保溫性能最為優異的材料[1]。但是，氣凝膠在價格上要遠高于傳統的保溫材料。因此，如何精確評估絕熱工程的效益與投資，尤為關鍵。

1管網模擬技術簡介

1.1系統模型

原則性熱力系統包括主蒸汽系統、鍋爐給水系統、鍋爐排污利用系統、補水系統和對外供熱系統[2]。由于在系統表面熱損失模擬計算中并不涉及完整的熱力系統，因此只需建立熱力管網系統，即鍋爐、汽輪機、減溫減壓器、蒸汽加熱器等產汽和用汽設備，以及蒸汽管線和表達這些設備實際連接關系的管網系統。

利用蒸汽管網系統模擬優化軟件建立上述熱力管網系統模型，不僅能夠更加直觀地了解石油化工企業蒸汽管網系統熱力管道的熱損分布情況，還能夠在后續的絕熱工程規劃中做出針對性的措施。同時，通過計算機計算，可以有效減少人工手動計算的時間和計算中產生的差錯，提高工作效率和數據準確度。

1.2模擬技術原理

1.2.1流程模擬

完整的蒸汽管網系統涵蓋眾多核心設備，如鍋爐、汽輪機、除氧器和減溫減壓器等，同時包括用于輸送蒸汽的蒸汽管網，以及變徑、閥門等管道附件。Smartsteam軟件通過構建數字模型來模擬蒸汽管網系統，并根據各組件在蒸汽管網系統中的功能將其劃分為設備、管線、節點3類。同時，依據實際流程選擇相應的設備模型，構建蒸汽管網并將設備接入相應節點，從而構建與目標對象一致的蒸汽管網系統流程。

1.2.2物理方程

Smartsteam軟件構建的蒸汽系統模型，除具備直觀的圖形展示外，還賦予了其特定的參數，使其具備實質性的物理特性。這些參數可分為2類，一是模型固有屬性參數，不受運行工況的影響，如管線長度、管徑、壁厚等；二是設備運行參數，根據不同工況，模型會有相應的運行參數，如汽輪機的內效率、進汽量、排汽溫度等。各類運行參數之間相互影響，揭示了蒸汽管網系統的整體特性。

軟件能夠自動聯立模型中3元素之間的連接關系，形成方程組。在設定模擬目標工況及其相應已知條件后，模型將自動進行模擬計算，輸出該工況下所有運行參數。整個蒸汽管網系統中的各個節點均可查詢其具體參數，以反映整個蒸汽管網系統的運行狀況。

對于石油化工企業蒸汽管網系統的每個設備和節點，建立如式（1）所示的質量守恒方程和如式（2）所示的熱量衡算公式。

式中 F—物料的質量流量，kg/s；r—流入節點時r為1，流出節點時r為0；h—物料的比焓，kJ/kg；n—設備和節點數。

1.2.3物性和傳熱計算

1.2.3.1蒸汽主要熱力學物性的計算方法

國際公式化委員會（IFC）制定的水蒸氣熱力學性質，被廣泛應用于工程設計、科學研究等領域，其可靠性得到了公認。因此，在熱力學物性計算中擬采用IFC提供的公式。

1.2.3.2管網熱損失計算

一段有保溫層的蒸汽管道，以外側表面積為基準的傳熱系數k按式（3）計算、熱損失Q按式（4）計算。

2絕熱工程評估方法的建立

2.1環境參數的選定

在運行工況穩定的情況下，環境溫度對保溫層散熱損失及外表面溫度的影響是不容忽視的[3]，因此僅憑單一工況的絕熱效果來衡量整個管網全年運行的絕熱效果，顯然不夠合理。

為了確保評估結果的準確性，在評估計算中將全年的運行環境劃分為具有代表性的春、夏、秋、冬4個季節工況。鑒于降雨天氣對保溫層散熱損失及外表面溫度產生顯著影響，因此在原有4個工況的基礎上，增加降雨工況的計算，并根據各地實際降雨天數，對所有工況進行加權平均，使評估結果更貼近全年運行實際情況。利用Smartsteam軟件構建的蒸汽系統模型，只需要采集1組穩定工況的數據就能模擬出所有工況的參數。

2.2通過模擬技術進行絕熱工程效益預測

在開展絕熱工程之前，需對現有狀況進行全面審視，因此為確保蒸汽系統熱損失的分析和評估更為精確，運用Smartsteam軟件協助構建蒸汽系統模型，計算出管網的加權平均熱損失，有助于在實施絕熱工程前清晰了解系統現狀并確立優化目標。

依據絕熱工程設計方案，在模型中相應地調整保溫材料及保溫厚度等相關參數，并在調整完參數后，利用模型模擬絕熱工程實施后蒸汽系統的運行狀況，預測工程實施后的效果，為后續的工程調整提供參考。根據模擬結果計算實施絕熱工程后管網的加權平均熱損失。在模擬結果滿意的情況下，可以繼續推進絕熱工程。但在施工過程中，需要密切關注各項指標，以確保工程質量和預期效果。工程完成后，再次利用Smartsteam軟件計算實施絕熱工程后的管網加權平均熱損失，以驗證工程效果。

2.3通過模擬技術進行絕熱工程效果檢測

在絕熱工程竣工后，須重新收集1組穩定工況的運行數據，并結合最新運行參數和施工方案，調整得出與絕熱工程竣工后實際狀況相符的模型，計算出管網的加權平均熱損失。隨后，將同一組運行數據輸入至絕熱工程實施前的模型中，以模擬在未實施絕熱工程情況下，原管網的散熱損失。同時，對管網進行加權平均熱損失計算，并對比分析2個模型的熱損失情況，從而評估工程效果。因此，通過對比預測結果與實際結果數據，可有效評估工程質量及施工材料的優劣，進而判斷絕熱工程是否滿足預期性能要求，針對局部與預期存在較大差距的工程，也可進行二次施工以防止遺漏。

3絕熱工程實際案例分析

以某石油化工企業蒸汽管道絕熱工程為例，詳細闡述使用不同的保溫材料時，蒸汽管網系統蒸汽管道的熱損失效益預測結果和成果檢測。

3.1 氣凝膠材料

為滿足生產工藝及節能需求，工業設備及管道所選用的絕熱材料對抗壓強度、防腐蝕性等物理性能和化學性能有一系列的標準。工業上傳統的絕熱材料一般為巖棉、礦渣棉、玻璃棉、硅酸鋁棉、硅酸鎂纖維毯、硅酸鈣制品、復合硅酸鹽、泡沫玻璃制品、聚異氰脲酸脂（PIR）泡沫制品、聚氨酯（PUR）泡沫制品、柔性泡沫橡膠制品、高密度聚異氰脲酸脂（HDPIR）[4]。為了使絕熱工程達到更好的保溫效果，案例項目在絕熱材料使用上選擇了SiO2氣凝膠。

凝膠是一種由納米級粒子聚集并以空氣為分散介質的非晶固態材料，其成分98%為空氣，是一類具有獨特光學、熱學及電學性能的輕質納米多孔三維結構材料[1]。

案例項目絕熱工程對于9.8MPa的蒸汽管線使用的氣凝膠保溫材料厚度為80mm；4.5MPa蒸汽管線管徑DN400及以上管線使用的氣凝膠保溫材料厚度為70mm，其他4.5MPa蒸汽管線氣凝膠保溫材料厚度為60mm。

本文用Smartsteam軟件模擬了用硅酸鎂鋁作為保溫材料的情況，模擬出的硅酸鎂鋁為保溫材料的蒸汽管道熱損失數據結果如表1所示。為了達到與實際絕熱工程基本一致的保溫效果，本次等效模擬選用了實際氣凝膠保溫材料3倍厚度的硅酸鎂鋁，對于9.8MPa的蒸汽管線選用的硅酸鎂鋁保溫材料厚度為240mm；4.5MPa蒸汽管線選用的硅酸鎂鋁保溫材料厚度為210mm。相同條件下，為達到同樣的保溫效果，SiO2氣凝膠保溫厚度僅為傳統保溫材料厚度的1/3，在大幅減少外部防護層（鋁皮）使用量的同時，也很好地解決了布局緊湊的裝置中經常出現的保溫間距不足問題，給工程后期管道保溫工作創造出良好的作業條件[1]。

3.2允許熱損

單位時間內通過某一給定面積的熱量稱為熱流量（heat transfer rate），單位為W。通過單位面積的熱流量稱為熱流密度（heat flux），單位為W/m2 [5]。按《工業設備及管道絕熱工程設計規范》（GB 50264-2013）的規定，管道的散熱損失量不能超過表2中最大允許熱損失量[6]。在等同的絕熱需求條件下，氣凝膠相較于傳統保溫材料能夠包得更薄，這一特點在給工程建設帶來效益和便利的同時，亦對驗收審核環節帶來相應問題。在鍋爐的產汽出口，有一段位于室外的9.8MPa的蒸汽管線，管線管徑DN350，管線長76.4m。利用Smartsteam軟件對這段管線施工后（厚度80mm的氣凝膠保溫）的熱損失情況進行計算，同時對其做了以厚度為240mm的硅酸鎂鋁為保溫材料的蒸汽管道熱損失模擬。

表3為使用smartsteam軟件分別對用厚度80mm氣凝膠作為保溫層和厚度240mm硅酸鎂鋁作為保溫層的模擬計算結果的對比數據。根據GB 50264-2013規定，保溫結構外表面環境溫度低于或等于25℃時，設備及管道保溫結構外表面溫度不應超過50℃；環境溫度高于25℃時，設備及管道保溫結構外表面溫度不應高于環境溫度25℃。2組數據均采自環境溫度15℃時的同一運行工況，從表3的數據來看，2種保溫方案均符合“管道保溫結構外表面溫度不得超過50℃”的規定要求。

依據表2，當設備管道外表面溫度為500℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為236 W/m2；當設備管道外表面溫度為550℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為251W/m2。通過插值法計算可得，當設備管道外表面溫度為513.8℃時，絕熱層外表面最大允許熱損失量（熱流密度）為240.1 W/m2。對比計算數據，以氣凝膠為保溫材料的管線熱流密度超出規定最大熱流密度1.5%，以硅酸鎂鋁為保溫材料的管線熱流密度比規定最大熱流密度小31.5%，因此按照GB 50264-2013的規定，采用氣凝膠作為保溫材料的管線不合規范，而選用硅酸鎂鋁作為保溫材料的管線則符合規范。在該項絕熱工程中，所有管線都有同樣的情況。在表面溫度滿足要求的情況下，采用氣凝膠材料的管線散熱量和溫降均小于應用硅酸鎂鋁材料的管線。然而，將整根管線的總熱損失量（熱流）轉化為單位面積的熱損失量（熱流密度），氣凝膠材料管線由于覆蓋較薄，其外表面積遠小于硅酸鎂鋁材料管線的外表面積，從而導致前者的熱流密度較后者大，部分管線的熱量損失不符合GB 50264-2013的規定。

為了防止偶然性，本研究對其他幾種工業領域常見的傳統保溫材料進行了相同條件（環境參數相同、運行工況相同、同一根管線、材料厚度240mm）下模擬保溫性能的探討，模擬結果如表4所示。同一根管線在鋪設240mm厚度的情況下，各類傳統保溫材料的散熱量仍大于80mm厚度的氣凝膠材料。然而，這些傳統保溫材料的熱流密度卻遠小于氣凝膠，均符合GB 50264-2013標準要求。

根據以上數據，假設在氣凝膠材料的外側再覆蓋1層不具備保溫效果的材料，使其整體厚度達到240mm，可以計算出其整體的熱流密度只有152.65 W/m2，也符合GB 50264-2013標準要求。

結語

綜上所述，絕熱工程可按照現狀分析、模型構建與計算、提出方案、模擬運行、工程實施及驗收步驟來實施，能提升絕熱工程的有效性和可行性。而通過降低管網的熱損失，石油化工企業可以實現降低能源成本、提高平穩運行的目的。同時，案例絕熱工程項目中體現了氣凝膠材料在保溫性能上的優越性，氣凝膠可以鋪設得比傳統材料更薄，可為布局緊湊的管網系統節約空間。因此，建議在絕熱工程建設中推廣應用氣凝膠為保溫材料，同時建議相關標準也要與時俱進，根據科技發展不斷更新完善。

參考文獻

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[2]王汝武.電廠節能減排技術[M].北京：化學工業出版社，2008：62-73.

[3]曹雁青.用于蒸汽管網系統的嚴格在線模擬與智能監測技術[J].計算機與應用化學，2006，23（10）：923-930.

[4]夏敏文.熱能工程設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1998：492-499.

[5]楊世銘.傳熱學[M].北京：人民教育出版社，1980.

[6] GB 50264-2013，工業設備及管道絕熱工程設計規范[S].

作者簡介

趙淑芳（1973—），女，漢族，天津人，高級工程師，大學本科，主要從事設備管理工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-03-25